DE102012211314A1 - Method for producing a polycrystalline ceramic film - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Keramikfilms auf einer Oberfläche (12) eines Substrats (10), bei welchem ein Partikelstrom auf die Oberfläche (12) geleitet und der Keramikfilm unter Abscheidung der Partikel auf die Oberfläche (12) ausgebildet wird, wobei bis zum Erreichen einer ersten vorgegebenen Schichtdicke der Partikelstrom mittels einer Blende entlang einer Vorzugsrichtung auf die Oberfläche (12) geleitet wird, welche einen vorgegebenen Einfallswinkel mit einer Flächennormalen der Oberfläche (12) einschließt. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass nach Erreichen der vorgegebenen Schichtdicke die Blende aus dem Partikelstrom entfernt wird und weitere Partikel bis zum Erreichen einer zweiten vorgegebenen Schichtdicke auf die Oberfläche (12) geleitet werden.The invention relates to a method for producing a polycrystalline ceramic film on a surface (12) of a substrate (10), in which a particle stream is directed onto the surface (12) and the ceramic film is formed with deposition of the particles on the surface (12) is passed to the surface (12) by means of a diaphragm along a preferred direction until reaching a first predetermined layer thickness, which includes a predetermined angle of incidence with a surface normal of the surface (12). According to the invention, it is provided that, after reaching the predetermined layer thickness, the aperture is removed from the particle stream and further particles are passed onto the surface (12) until a second predetermined layer thickness is reached.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Keramikfilms nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. The invention relates to a method for producing a polycrystalline ceramic film according to the preamble of patent claim 1.

Im Bereich der Biosensorik finden zunehmend akustische Dünnfilmresonatoren (thin film bulk acoustic resonators, FBAR) Anwendung, die bei spezifischer Bindung zu detektierender Substanzen an ihrer Oberfläche Änderungen in ihrer Resonanzfrequenz erfahren. Es handelt sich dabei um piezoelektrische Kristallschichten, die auf entsprechende Substrate, beispielsweise Si-Wafer aufgebracht sind. In the field of biosensors, acoustic thin film bulk acoustic resonators (FBAR) are increasingly being used, which undergo changes in their resonance frequency on their surface upon specific binding to substances to be detected. These are piezoelectric crystal layers which are applied to corresponding substrates, for example Si wafers.

Da die Detektion von Biomolekülen in der Regel in Flüssigkeiten erfolgt, ist eine besonders hohe Resonanzgüte und Empfindlichkeit notwendig. Hierzu muss der Resonator im akustischen Schermode angeregt werden. Since the detection of biomolecules is usually done in liquids, a particularly high quality of resonance and sensitivity is necessary. For this, the resonator must be excited in the acoustic shear mode.

Um eine solche Anregung zu ermöglichen, ist eine Verkippung der polaren Kristallachse zum anregenden Feld notwendig. Bei einer klassischen Resonatorstruktur, bei der das Piezoelektrikum zwischen zwei Elektrodenschichten eingeschlossen ist, muss also die polare Achse eine Komponente in der Elektrodenebene aufweisen. In order to enable such an excitation, a tilt of the polar crystal axis to the exciting field is necessary. In a classical resonator structure, in which the piezoelectric element is enclosed between two electrode layers, the polar axis must therefore have a component in the electrode plane.

Bei der Verwendung von ZnO als Dielektrikum werden bei Verkippungen von ca. 40° und ca. 90° reine Scherwellen angeregt ( Foster, N. F. et al., Cadmium Sulphide and Zinc Oxide Thin-Film-Transducers, IEEE Transactions on sonics and ultrasonics, Vol. SU-15, No.1, Jan. 1968 ). Auch relative kleine Verkippungen von beispielsweise 15° genügen jedoch, um funktionsfähige Schermode-Resonatoren zu erhalten. When ZnO is used as the dielectric, pure shear waves are excited at tiltings of approximately 40 ° and approximately 90 ° ( Foster, NF et al., Cadmium Sulphide and Zinc Oxide Thin-Film Transducers, IEEE Transactions on sonics and ultrasonics, Vol. SU-15, No.1, Jan. 1968 ). However, even relatively small tilting of, for example, 15 ° is sufficient to obtain functional shear mode resonators.

Um eine solche Verkippung der polaren Achse zu erzielen, beschreibt die DE 10 2005 014 160 A1 ein Verfahren, bei welchem das Piezoelektrikum durch reaktives Sputtern abgeschieden wird. Mittels einer Blende wird dabei eine Vorzugseinfallsrichtung der Partikel eingestellt, die den gewünschten Winkel mit einer Flächennormalen der Substratoberfläche einschließt, auf welche die Keramik abgeschieden wird. To achieve such a tilt of the polar axis, describes the DE 10 2005 014 160 A1 a method in which the piezoelectric is deposited by reactive sputtering. By means of a diaphragm, a preferential incident direction of the particles is thereby set, which encloses the desired angle with a surface normal of the substrate surface on which the ceramic is deposited.

Ein Nachteil des bekannten Verfahrens liegt in der Tatsache begründet, dass hierbei der Hauptanteil des Materialstroms auf die Blende und nicht auf das Substrat abgeschieden wird. Dies führt zu niedrigen Depositionsraten und macht eine Reinigung und Neueinstellung der Anlage bereits nach wenigen Depositionsvorgängen notwendig. Dies führt zu einem hohen Zeitaufwand und hohen Kosten. Die Verwendung des Blendensystems resultiert ferner in einer geringen Reproduzierbarkeit des Depositionsergebnisses, insbesondere bezüglich der Schichthomogenität. A disadvantage of the known method lies in the fact that in this case the majority of the material flow is deposited on the diaphragm and not on the substrate. This leads to low deposition rates and makes a cleaning and readjustment of the system after a few depositions necessary. This leads to a high expenditure of time and high costs. The use of the blend system also results in a low reproducibility of the deposition result, in particular with regard to the layer homogeneity.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, welches eine schnelle, kostengünstige und gut reproduzierbare Herstellung von Keramikfilmen mit verkippter polarer Achse erlaubt. The present invention is therefore based on the object to provide a method according to the preamble of claim 1, which allows a fast, inexpensive and well reproducible production of ceramic films with tilted polar axis.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. This object is achieved by a method having the features of patent claim 1.

Bei einem solchen Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Keramikfilms auf einer Oberfläche eines Substrats, wird ein Partikelstrom von Partikeln auf die Oberfläche geleitet und der Keramikfilm unter Abscheidung der Partikel auf die Oberfläche ausgebildet. Bis zum Erreichen einer ersten vorgegebenen Schichtdicke wird dabei der Partikelstrom mittels einer Blende entlang einer Vorzugsrichtung auf die Oberfläche geleitet wird, welche einen vorgegebenen Einfallswinkel mit einer Flächennormalen der Oberfläche einschließt. In such a method of producing a polycrystalline ceramic film on a surface of a substrate, a particle flow of particles is conducted to the surface and the ceramic film is formed while depositing the particles on the surface. Until a first predetermined layer thickness is reached, the particle flow is guided by means of a diaphragm along a preferred direction onto the surface, which encloses a predetermined angle of incidence with a surface normal of the surface.

Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass nach Erreichen der vorgegebenen Schichtdicke die Blende aus dem Partikelstrom entfernt wird und weitere Partikel bis zum Erreichen einer zweiten vorgegebenen Schichtdicke auf die Oberfläche geleitet werden. According to the invention, it is provided that, after reaching the predetermined layer thickness, the aperture is removed from the particle stream and further particles are passed onto the surface until a second predetermined layer thickness is reached.

Mit anderen Worten wird die Blende nur zur Erzeugung einer Keimschicht des keramischen Materials, also die Schicht mit der ersten vorgegebenen Schichtdicke, erzeugt, welche die gewünschte Achsorientierung aufweist. Nach Ausbildung dieser Keimschicht kann die Deposition ohne Zuhilfenahme der Blende fortgeführt werden, da die Kristalle der Keimschicht auch bei ungerichtetem Materialauftrag entlang der bereits vorgegebenen Vorzugsorientierung weiterwachsen. In other words, the diaphragm is only produced to produce a seed layer of the ceramic material, ie the layer with the first predetermined layer thickness, which has the desired axis orientation. After the formation of this seed layer, the deposition can be continued without the aid of the diaphragm, since the crystals of the seed layer continue to grow along the predefined preferred orientation even in the case of undirected material application.

Dies ermöglicht es, nach Erzeugung der Keimschicht deutlich höhere Depositionsraten zu erzielen. Durch den Verzicht auf die Verwendung von Blenden nach Erzeugung der Keimschicht wird zudem deutlich mehr vom eingesetzten keramischen Material auf dem Substrat abgeschieden und die Verschmutzung der Anlage durch auf den Blenden abgefangenes Material reduziert. Dies erhöht die Anlagenstandzeit und senkt Wartungsaufwand und Kosten. This makes it possible to achieve significantly higher deposition rates after generation of the seed layer. By dispensing with the use of diaphragms after generation of the seed layer is also clear deposited more of the ceramic material used on the substrate and reduces the contamination of the system by intercepted on the diaphragm material. This increases plant downtime and reduces maintenance and costs.

Ferner hat es sich herausgestellt, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich homogenere Schichten prozesssicher erzeugt werden können. Insbesondere die Schichtdickenhomogenität wird verbessert, so dass die gefertigten Resonatoren eine deutlich besser definierte Resonanzfrequenz und damit auch eine erhöhte Empfindlichkeit bei der Verwendung als Biosensoren aufweisen. Furthermore, it has been found that significantly more homogeneous layers can be reliably produced by means of the method according to the invention. In particular, the layer thickness homogeneity is improved, so that the manufactured resonators have a significantly better defined resonance frequency and thus also increased sensitivity when used as biosensors.

Bei den auf die Oberfläche geleiteten Partikeln kann es sich einerseits um Partikel aus der gewünschten Keramik selbst handeln, andererseits können, beispielsweise durch reaktives Sputtern, Metallpartikel abgeschieden werden, die erst auf der Oberfläche mit einem Reaktivgas die gewünschte Keramik bilden. On the one hand, the particles conducted on the surface can be particles of the desired ceramic itself, on the other hand metal particles can be deposited, for example by reactive sputtering, which form the desired ceramic only on the surface with a reactive gas.

Vorzugsweise wird der vorgegebene Einfallswinkel hierbei aus dem Bereich von 0 bis 90° und insbesondere aus dem Bereich von 10 bis 30° gewählt. Damit wird sichergestellt, dass eine hinreichende Scheranregung erfolgen kann. In this case, the predetermined angle of incidence is preferably selected from the range from 0 to 90 ° and in particular from the range from 10 to 30 °. This ensures that sufficient shear excitation can occur.

Es ist ferner zweckmäßig, wenn die erste vorgegebene Schichtdicke, also die Dicke der Keimschicht, 50 bis 150 nm und vorzugsweise 100 nm beträgt. Hierdurch wird gewährleistet, dass auch beim folgenden ungerichteten Auftragen ein reproduzierbares Aufwachsen der Schicht in der durch die Keimschicht vorgegebenen Vorzugsorientierung erfolgt. It is also expedient if the first predetermined layer thickness, ie the thickness of the seed layer, is 50 to 150 nm and preferably 100 nm. This ensures that even in the following non-oriented application, a reproducible growth of the layer takes place in the preferred orientation predetermined by the seed layer.

Die Gesamtschichtdicke, also die zweite vorgegebene Schichtdicke, beträgt vorzugsweise 450 bis 600 nm und vorzugsweise 540 nm. In diesem Bereich können Resonatoren mit den gewünschten Resonanzfrequenz im Bereich von 100 MHz bis 10 GHz geschaffen werden. The total layer thickness, ie the second predetermined layer thickness, is preferably 450 to 600 nm and preferably 540 nm. In this range, resonators with the desired resonant frequency in the range of 100 MHz to 10 GHz can be created.

Als Partikel werden hierbei vorzugsweise Partikel aus ZnO und/oder AlN resp. den entsprechenden Metallen verwendet. Hierbei handelt es sich um kostengünstige Materialien, die die gewünschten piezoelektrischen Eigenschaften aufweisen und durch gängige Auftragsverfahren, beispielsweise durch Sputtern oder reaktives Sputtern, aufgebracht werden können. As particles here are preferably particles of ZnO and / or AlN resp. the corresponding metals used. These are inexpensive materials that have the desired piezoelectric properties and can be applied by common application methods, for example by sputtering or reactive sputtering.

Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher beschrieben. Die einzige Figur zeigt hierbei schematisch einen Substratwafer mit mehreren Messpunkten zur Qualitätskontrolle einer mittels eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens aufgebrachten Schicht. In the following the invention and its embodiments will be described in more detail with reference to the drawing. The single FIGURE here shows schematically a substrate wafer with several measuring points for quality control of a layer applied by means of an embodiment of a method according to the invention.

Zum Herstellen eines akustischen Dünnfilmresonators (FBAR) wird auf ein Substrat, beispielsweise einen Siliziumwafer 10, eine zwischen planen Elektroden eingeschlossene Schicht aus einer piezoelektrischen Keramik, beispielsweise ZnO, erzeugt. Der Auftrag der Schicht erfolgt dabei durch an sich bekannte Depositionsverfahren, wie beispielsweise das Sputtern. For producing a thin film acoustic resonator (FBAR) is applied to a substrate, such as a silicon wafer 10 , a layer of a piezoelectric ceramic, for example ZnO, enclosed between planar electrodes. The order of the layer is carried out by known deposition methods, such as sputtering.

Um die gewünschten Resonatoreigenschaften zu erzielen, insbesondere um die Anregung von Schermoden zu ermöglichen, muss die polare Achse des piezoelektrischen Materials einen Winkel mit der Flächennormalen des Substrats einschließen. Hierzu wird zunächst eine Keimschicht von etwa 100 nm Dicke erzeugt. Während der Deposition dieser Keimschicht wird zwischen einer Quelle für die abzuscheidenden Partikel und die Substratoberfläche 12 ein Blendensystem installiert, welches gewisse Einfallswinkel abschattet, so dass die Partikel in einer Vorzugsorientierung mit auf die gewünschte Weise verkippter polarer Achse auf die Substratoberfläche 12 abgeschieden werden. In order to achieve the desired resonator properties, particularly to facilitate the excitation of shear modes, the polar axis of the piezoelectric material must be at an angle with the surface normal of the substrate. For this purpose, first a seed layer of about 100 nm thickness is produced. During the deposition of this seed layer, there is a source of the particles to be deposited and the substrate surface 12 installed a diaphragm system which shadows certain angles of incidence, so that the particles in a preferred orientation with tilted in the desired manner polar axis on the substrate surface 12 be deposited.

Sobald die gewünschte Keimschichtdicke erreicht ist, kann das Blendensystem entfernt werden und die Deposition auf ungerichtete Weise fortgesetzt werden. Aufgrund der bereits erzeugten Achsorientierung in der Keimschicht erfolgt das weitere Wachstum der Schicht ebenfalls gerichtet, so dass insgesamt die gewünschte Verkippung der polaren Achse erzielt wird. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis eine Gesamtschichtdicke von etwa 540 nm erreicht ist. Once the desired seed layer thickness is achieved, the iris system can be removed and deposition continued in an undirected manner. Due to the already generated axis orientation in the seed layer, the further growth of the layer is also directed, so that overall the desired tilt of the polar axis is achieved. This process continues until a total layer thickness of about 540 nm is reached.

Während der Erzeugung der Keimschicht können Depositionsraten von etwa 4 nm/min erzielt werden, die nach Entfernen des Blendensystems auf bis zu 40 nm/min gesteigert werden können. Hierdurch wird eine deutlich beschleunigte Prozessführung im Vergleich mit aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erzielt, bei denen während des gesamten Depositionsvorgangs ein Blendensystem Anwendung findet. During the generation of the seed layer deposition rates of about 4 nm / min can be achieved, which can be increased after removal of the blend system up to 40 nm / min. As a result, a significantly accelerated process control is achieved in comparison with methods known from the prior art, in which a shutter system is used throughout the deposition process.

Um die Qualität der erzeugten Schicht zu überprüfen, wurden an mehreren Messpunkten 14 eines in der FIG schematisch gezeigten 6“-Wafers Proben der Schicht analysiert und mit Proben eines mit aus dem Stand der Technik bekannten Methoden gefertigten Wafers verglichen. To check the quality of the produced layer, were at several measuring points 14 of a 6 "wafer shown schematically in the figure, samples of the layer were analyzed and compared with samples of a wafer made using methods known from the prior art.

Wie der Tabelle entnommen werden kann, werden mit dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich homogenere Schichten erzeugt. Die Streuung der Schichtdicke, gemessen an der auf die Schichtdicke normierten Standardabweichung, verbessert sich von 10,3% auf 3%, wobei gleichzeitig die Prozessdauer von 132 min auf 34 min reduziert werden kann. Der Scherkopplungskoeffizient erfährt dabei keine nennenswerte Beeinträchtigung. As can be seen from the table, clearly more homogeneous layers are produced with the exemplary embodiment of the method according to the invention. The scattering of the layer thickness, measured by the standard deviation normalized to the layer thickness, improves from 10.3% to 3%, while at the same time the process time can be reduced from 132 min to 34 min. The shear coupling coefficient does not experience any appreciable impairment.

Die deutlich geringere Verweildauer der Blenden im Partikelstrom führt zudem zu einer geringeren Verschmutzung der Blenden und damit zu geringerem Reinigungs- und Nachjustieraufwand. Ausführungsbeispiel der Erfindung Stand der Technik mittlere Schichtdicke [nm] 550 530 σ(Schichtdicke)/Schichtdicke [%] 3,0 10,3 Scherkopplungskoeffizient [%] 11 12 Prozessdauer [min] 34 132 anteilige Verweilzeit Blende [%] 17 100 Tab.: Vergleich wesentlicher Prozess- und Schichteigenschaften für nach dem Stand der Technik und nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erzeugte Schichten The significantly shorter residence time of the diaphragms in the particle flow also leads to less contamination of the diaphragms and thus to less cleaning and Nachjustieraufwand. Embodiment of the invention State of the art average layer thickness [nm] 550 530 σ (layer thickness) / layer thickness [%] 3.0 10.3 Shear coupling coefficient [%] 11 12 Process duration [min] 34 132 proportional residence time Aperture [%] 17 100 Tab .: Comparison of essential process and layer properties for layers produced according to the prior art and according to an embodiment of the invention

Insgesamt wird so ein Verfahren bereitgestellt, welches eine schnelle, kostengünstige und prozesssichere Herstellung von piezoelektrischen Keramikschichten mit einer vorgegebenen Achsverkippung erlaubt. Overall, such a method is provided, which allows a fast, cost-effective and process-reliable production of piezoelectric ceramic layers with a predetermined axis tilting.

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Claims (6)

Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Keramikfilms auf einer Oberfläche (12) eines Substrats (10), bei welchem ein Partikelstrom auf die Oberfläche (12) geleitet und der Keramikfilm unter Abscheidung der Partikel auf die Oberfläche (12) ausgebildet wird, wobei bis zum Erreichen einer ersten vorgegebenen Schichtdicke der Partikelstrom mittels einer Blende entlang einer Vorzugsrichtung auf die Oberfläche (12) geleitet wird, welche einen vorgegebenen Einfallswinkel mit einer Flächennormalen der Oberfläche (12) einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen der vorgegebenen Schichtdicke die Blende aus dem Partikelstrom entfernt wird und weitere Partikel bis zum Erreichen einer zweiten vorgegebenen Schichtdicke auf die Oberfläche (12) geleitet werden. Method for producing a polycrystalline ceramic film on a surface ( 12 ) of a substrate ( 10 ), in which a particle flow to the surface ( 12 ) and the ceramic film with deposition of the particles on the surface ( 12 ) is formed, wherein until reaching a first predetermined layer thickness of the particle flow by means of a diaphragm along a preferred direction to the surface ( 12 ), which has a predetermined angle of incidence with a surface normal of the surface ( 12 ), characterized in that after reaching the predetermined layer thickness, the aperture is removed from the particle stream and further particles until reaching a second predetermined layer thickness on the surface ( 12 ). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Einfallswinkel aus dem Bereich von 0 bis 90° und insbesondere aus dem Bereich von 10 bis 30° gewählt wird. A method according to claim 1, characterized in that the predetermined angle of incidence from the range of 0 to 90 ° and in particular from the range of 10 to 30 ° is selected. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste vorgegebene Schichtdicke 50 bis 150 nm und vorzugsweise 100 nm beträgt. A method according to claim 1 or 2, characterized in that the first predetermined layer thickness is 50 to 150 nm and preferably 100 nm. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite vorgegebene Schichtdicke 450 bis 600 nm und vorzugsweise 540 nm beträgt. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the second predetermined layer thickness is 450 to 600 nm and preferably 540 nm. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Partikel Partikel aus ZnO und/oder AlN verwendet werden. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that particles of ZnO and / or AlN are used as particles. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelstrom durch Sputtern bereitgestellt wird. Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the particle flow is provided by sputtering.
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